伊拉克摩苏尔大坝溃坝危机与解决方案

瑞典·Nasrat Adamo，Nadhir Al-Ansari，Sven Knutsson，Jan Laue，伊拉克·Varoujan Sissakian

（1.瑞典吕勒奥理工大学；2.私人顾问）

伊拉克摩苏尔大坝溃坝危机与解决方案

瑞典·Nasrat Adamo1，Nadhir Al-Ansari1，Sven Knutsson1，Jan Laue1，伊拉克·Varoujan Sissakian2

（1.瑞典吕勒奥理工大学；2.私人顾问）

摩苏尔大坝是一座多用途填土坝，长3.4 km，高113 m，库容11.11 km3，死库容2.95 km3。大坝位于伊拉克北部的底格里斯河，距离摩苏尔城西北约60 km。大坝建在熔岩高度岩溶的石膏、泥岩和石灰岩床上。大坝于1986年开始运行，从那时，由于石膏床溶解、存在岩溶作用、以及地下水的影响，渗流问题就开始显现了。为停止渗流，确保大坝的稳定，防渗灌浆的方案一直未停止。2014年，ISIS占领了大坝地区，停止了灌浆作业，情况恶化。对近期状况的评估表明，大坝有随时溃坝风险。一旦溃坝，将有600万人受灾、7 202 km2的土地被淹没。为了阻止这场灾难，灌浆作业应该继续进行，以延长大坝寿命。水库内水位应保持低位，以减少溃坝造成的危害。作为永久解决方案，应在摩苏尔大坝下游建造另一座大坝，以抵挡摩苏尔溃坝的下泄洪水。

伊拉克；底格里斯河；摩苏尔大坝；灌浆；岩溶作用

1 简介

摩苏尔大坝是中东最大的大坝之一，总库容为111亿m3，其中29.5亿m3为死库容，蓄水量为81.6亿m3。在伊拉克这样的干旱国家，这一水量可灌溉100万ha土地。同时，大坝发电装机容量为750 MW，不包括反调节水库（主坝南8 km处）的60 MW装机以及右侧200 MW的抽水蓄能电站装机。

摩苏尔水坝位于伊拉克北部（42˚49'19''E,36˚ 37'48''N），大坝的基础问题与地质有关，伊拉克北部的地质主要为泥岩、石灰岩、石膏和硬石膏。由于地下水的流动，摩苏尔大坝坝基岩石岩溶发育高度成熟，导致当前坝基严重侵蚀、随时有溃坝风险。

2 历史回顾

1952年伊拉克发展委员会提出建设该大坝，两家英国公司的合资企业进行了初步研究，选出了坝址并制定了最终设计。那时，大坝的目的是防洪及为Al Jazera节水灌溉项目供水。后来又增加了灌溉面积，并要求发电。三家咨询公司先后参与设计，1978年瑞士咨询联盟完成了设计及招标文件。所有咨询公司都意识到了坝基中存在可溶性石膏，虽然大坝坝体位置和设计方案各有不同，但都认为灌浆可以解决石膏溶解问题。尽管进行了广泛的地质调查，但他们都对这些情况产生了同样的误判。

图1 堤坝及附属建筑物，抽水蓄能上水库和一部分库容Fig.1 Embankment and appurtenant structures,pump storage upper reservoir and part of the reservoir

3 大坝坝基地质条件

大坝设计使用灌浆来保护坝基，防止渗漏和石膏溶解，但未考虑大坝周围的地质溶解。施工采取的防渗措施是在泥岩下进行覆盖层灌浆，坝下设有超深帷幕灌浆。外边缘覆盖层深度约10 m，中心线覆盖层深度达25 m。

河床深处岩溶化最严重的岩层处铺设超深帷幕灌浆，深度达80～100 m。勘察阶段确定了大坝主体下的岩溶水平线，显示了风化和喀斯特程度及演化。这条线以上受影响最严重的地层是石膏/硬石膏层和过渡性膏溶角砾岩（GB），以及角砾泥灰土（含石膏水泥）。四个膏溶角砾岩层的厚度在8～18 m之间，由下往上称为GB0、GB1、GB2和GB3。这些岩层很难灌浆，并且由于渗水的侵蚀和溶解，灌浆材料会很快流失。图2显示了大坝轴线东向西的地质剖面图。图3为帷幕灌浆深度图。

左岸和副坝下的基础也不比主坝好（图4）。尽管受喀斯特作用影响不大，但上层30 m处的石灰岩层（F-Bed）破碎、开裂严重，形成了开放通道，水将渗透至河岸及其下面更坚固的GB3层。在溢洪道基础的开挖过程中，这一地层被揭开，裂缝和节理非常宽，存在岩溶的危险，如图4所示。

图2 从东至西的地质剖面Fig.2 Geological section starts from East at upper left corner to West at bottom lower corner

图3 大坝下的喀斯特线/岩溶水平线Fig.3 Karst line location under the dam

图4 在左岸溢洪道基础GB3层中发现了严重的裂缝和节理Fig.4 Badly jointed and fissured GB3 layer found in the left bank in the foundation of the spillway chute and bucket

设计人员使用岩溶水平线来确定主坝下帷幕灌浆的深度，在副坝下方，灌浆穿过石灰岩层（FBed），部分穿过GB3层。右岸坝基也遭遇类似问题，但由于岩层倒转形成Wadi Malih（地区名）背斜，其本身形成了右侧坝肩。右坝肩的岩溶线非常深，需铺设超深帷幕灌浆。

4 水库蓄水和运行过程中遇到的问题

在左岸，水库蓄水期间观察到石膏严重渗透和溶解，主坝下也有类似情况发生。1986年2～3月的现场测量和计算显示，大约13 000 t的盐类已被溶解并冲走，溶解速度达到42～80 t/d。现场采取了补救措施，通过加强副坝下的帷幕灌浆，减缓左岸岩层的恶化，并在溢洪道槽下增加平行的帷幕灌浆，以保护基础。这些措施减少了渗透和溶解，却无法彻底解决这一问题。图5显示溢洪道两侧的渗流。

主坝下的灌浆遇到了巨大困难。尽管已使用不同的灌浆形式和浆液反复灌浆，GB地层的许多区域仍不能被密封。当水库蓄水时，它们仍是开放性的，直到现在，仍有长期渗流点。近30 a来，维护性灌浆工作只是延长了大坝的使用寿命，并不是长久之计。事实上，反复灌浆导致岩石退化，使溶解反应前缘移动并覆盖了之前岩溶现象较少的地区。2006年的一项研究得出结论，这一前缘已向东移动了350 m。然而，停止灌浆维护将会加快大坝的沉降和最终的溃坝。

图5 左岸渗流点Fig.5 Outflow points of left bank seepage water

当ISIS占领大坝时，技术人员逃离现场，维护性灌浆在2014年7月～2015年底被迫停止。2016年维护灌浆由意大利公司在美国陆军工程师兵团的监督下恢复作业。

灌浆并不是一劳永逸的解决方案。大坝周围的溶解现象表明整个坝址都在恶化。水库右侧1.3 m高的岩溶通道形成于1986年9月，靠近一些落水洞，在蓄水后1 a产生。而图6显示了2002年出现的地面裂缝，非常接近大坝右肩，是由于其下方石膏层溶解而产生的。据持续观察，2004年这一裂缝停止扩大。笔者认为，以上这些裂缝的产生是因为连通水库的一层较薄的石膏层溶解了。这些和其它观察结果表明，大坝右侧的坝基正在快速溶解。

靠近大坝的下游左、右岸堤坝还出现了沉陷。图7显示了1992年出现并继续扩大至1998年的4个大型沉陷位置。经研究，它们是由水库向Wadi Malih含水层补水的水流而造成的。渗水导致沉陷下方的石膏层溶解。2002年在大坝的左岸紧靠坝址处，突然出现了另一个沉陷。为填补沉陷使用了4 200 m3的填充材料，但在2005年其继续沉陷了0.5 m。通过在沉陷周围钻孔设置压力计，并进行示踪染料测试，发现大坝另一头下方的渗水导致了该位置的石膏层GB3溶解，从而引起沉陷。

2010年，瑞典吕勒奥大学一位博士对水库进行了一次水深测量。这项调查显示，大量沉陷已经形成（图8），其中一些深达10 m，非常靠近大坝。如果沉陷发生在坝址处，将对大坝构成威胁。石膏和石灰岩层的溶解形成了沉陷和其它形式的岩溶，并将随时间推移而扩大，并对大坝造成危害。

图6 靠近坝基右坝肩处出现地面裂缝Fig.6 Ground fissure which appeared in the right abutment close to dam abutment

图7 沉陷位置（1992～1998年）Fig.7 Location of sinkholes(1992～1998)

图8 左岸的沉陷Fig.8 Sinkhole at left bank

5 大坝专家观点

2005年，联合临时政府的专家对大坝状况和坝基恶化的情况表示关切。他们为大坝预想了几种可能的溃坝模式，可能性最大的是由于坝基溶解造成坝体沉降和开裂，最终导致溃坝。他们强调，持续灌浆仅能延长大坝寿命，但从长远来看，溃坝不可避免。他们否定了从坝顶建造隔板的方案，深达240 m的隔板将对大坝的完整性造成危害，并且从未实施过，造价也将非常昂贵。他们的结论是，一旦溃坝，唯一能挽救下游人民的方法是续建下游尚未完工的Badush大坝。这座大坝在1980年代末期计划建造，但由于伊拉克受到经济制裁，于1990年停工。

2007年，水利部聘请的另一批专家给出的意见则相反，认为隔板是唯一的安全解决方案，否定了将Badush大坝作为保护坝的方案。2014年水利部聘请的另一个咨询公司也认为，在进行一些设计修改后，应该续建Badush大坝作为保护坝。

2014年年中，吕勒奥大学为摩苏尔大坝问题组建了工作组，并于2016年5月24～25日在斯德哥尔摩举办了国际研讨会。研讨会达成的最终建议是在经济和技术可行的情况下，摩苏尔大坝应安装隔板，或继续维护性灌浆，同时完成Badush大坝作为保护大坝。甚至考虑综合解决方案，修改Badush大坝的设计为蓄水型大坝后，永久性替代摩苏尔大坝，逐渐释放摩苏尔水库的库容，最后完全放弃摩苏尔大坝。目前，摩苏尔大坝仍在等待政府的决定。

6 大坝目前情况

2014年8月ISIS占领大坝、维护性灌浆停止后，大坝坝基日益恶化，美国陆军工程兵团于2015年组织了一个专业小组对大坝的安全进行了检查。

该小组安装了仪器和摄像机对坝体位移进行监测，并测试渗漏量和渗水中的石膏浓度。结果显示，坝体位移异常大，渗漏量和渗流中的石膏溶解浓度之高也令人惊讶。2015年底，足够的证据表明，大坝情况正在迅速恶化，处于溃坝的边缘。

2016年12月6日刊登在《自然》杂志上的一篇报告中的空间大地监测证明，摩苏尔大坝自维护性灌浆停止以来，其垂直位移和水平运动正在加速。2004～2010年期间的垂直位移速度为12.5 mm/a，而2014～2015年为15 mm/a，如图9的空间监测图像所示。该研究利用雷达卫星观测图像，证实了以前的研究结果，在2016年的摩苏尔大坝研讨会上进行了研讨。

7 溃坝的后果

瑞士咨询公司于1984年首次研究了摩苏尔大坝溃坝模式及后果。该研究显示，一旦溃坝，巨大且破坏性极强的大浪将以可怕的速度向下游移动，淹没河流下游，摧毁巴格达及其它地区。虽然这项研究给出了波峰流量、高度和到达所选位置的时间，但未量化人员和财物损失。在过去30 a中，还进行了许多其它研究。最后一项研究是欧盟委员会联合研究中心（JRC）在2016年发表的。表1显示了在不同蓄水水位情况下，溃坝时的波峰高度、波浪和波峰到达时间。表2显示了不同蓄水水位情况下，溃坝和淹没期间受影响人口和受淹面积。

图9 左侧照片显示垂直位移，右侧照片显示水平位移Fig.9 Photographs on the left indicate vertical movement.Pho⁃tographs on the right show horizontal displacements,all in 2004～2010 and 2014～2015

受影响人口的死亡率将很高，特别是距离大坝不远的城镇。一旦摩苏尔大坝溃坝，随之而来的灾难将是前所未有的。

表1 不同蓄水位下波浪的最大高度、波浪和波峰到达时间Table 1 Maximum heights of wave and times of wave arrival and its peaks for various scenarios

表2 不同蓄水位下，溃坝时受影响人口和淹没地区Table 2 Affected population and inundated areas for the vari⁃ous different water level scenarios when the dam fails for the period of inundation given

8 结语

自1986年运行以来，摩苏尔大坝坝基一直存在渗流问题。灌浆作业并没有阻止渗流，但维持了坝体的稳定。现在由于2014年ISIS占领使灌浆停止了很长一段时间，导致大约10 000 m3的石膏溶解。此外，灌浆对石膏角砾岩层作用不大。

灌浆不能解决渗流问题，但可以延长大坝寿命。因此，必须立即采取行动：

（1）继续密集灌浆，以获得实施最终解决方案的时间；

（2）保持尽可能低的水库水位，以免增大石膏溶解，减轻溃坝的后果；

（3）须建立并公布应急行动计划和预警系统；

（4）应进行大坝上游的水深测量，检查水库区域大坝周边是否有沉陷现象；

（5）成立专家小组，每3个月对大坝的状况进行评估；

（6）慎重衡量最终解决方案，包括完成替代的Badush大坝或在摩苏尔大坝上建造隔板。

Mosul dam:a catastrophe yet to unfold

Nasrat Adamo,Nadhir Al-Ansari,Sven Knutsson,Jan Laue and Varoujan Sissakian

Lulea University of Technology

Mosul dam is multipurpose earth fill dam.It is 3.4 km long,113 m in height and its storage capacity reaches 11.11 km3of which 2.95 km3is dead storage.The dam is located on the Tigris river in the northern part of Iraq about 60 km in north west Mosul city.The dam was built on highly karstified al⁃ternating beds of gypsum,marl and limestone.The dam was operating in 1986 and since then,seepage problems started due to the solubility of the gypsum beds,presence of karstification and the effect of the local groundwater aquifer.Insensitive grouting program was put to stop the seepage and ensure the sta⁃bility of the dam but it did not stop.The situation became worse in 2014 when ISIS occupied the dam ar⁃ea and grouting operations were halted.Recent evaluation of the conditions indicates that the dam is in its worst conditions.The failure models of the dam indicate that 6 million people will be affected,and 7 202 km2of land will be inundated.To stop this catastrophe,grouting operations should be continued intensively to elongate the span life of the dam.Water level within its reservoir should be kept at a very low level to minimize the damages in case of dam failure.As a permanent solution,another dam should be built downstream Mosul dam so that it can take the wave of Mosul dam in case of its failure.

Iraq;Tigris river;Mosul dam;grouting;karstification

TV698

：B

：1671-1092（2017）04-0067-06

2017-06-26

文献来源：Engineering

编译：吴双

校核：许传桂